∪.D.C.る28.84
高効率パッケージ形空調機
HighEfficiencYSeriesofPackagedAirConditioner
第二歩こ石油危機を契機に,省資源･省エネルギーへの対応がより大きな課題とさ れ,政府もエネルギーの消費を抑制し,効率よく使用させるために,｢エネルギ【使 用の合理化に関する法律+を制定した｡そのなかには,パッケージ形空調機も特定 機器の一つに指定され,高効率化が義務づけられている｡ このような情勢を背景に,日立製作所では,昭和54年11月,エネルギー消費効率 を大幅に改善したパッケⅦジ形空調機床置形を発表し,55年2月発売を開始した｡ 本製品の開発のために,空調機の心臓部である圧縮機をはじめ,熱交換器,送風機 ほか各部の高性能化を図り,ユニット全体としての高効率化を達成した｡ u緒
言 緊迫した石油情勢を背景に,国家的重要課題として省エネ ルギー化が叫ばれている｡このため,昭和54年6月には,｢エ ネルギー使用の合理化に関するi去律+(通称｢省エネルギー法+) が制定され,同年10月1日から施行されている｡この法律に より,特定機器の一つに指定されたパッケージ形空調機については,EER(Energy Efficiency Ratio:エネルギー消費
効率)のガイドライ ンが設定され高効率化が義務づけられ た｡ このような情勢を背景に,日立製作所では,昭和54年11月, EERを大幅に改善したパッケージ形空調機J末置形を発表し, 55年2月発売を開始した｡ 本機は,出力2.2kW,3.OkW及び3.75kWから成る冷暖房兼 用_並びに冷房専用のJ末置形パッケージ形空調機6機種から成 り,最近空調機の第三市場と呼ばれ,伸長の著しい店舗用, 事務所用などのほか,一般産業用空調機としても使用できる 幅広い用途を対象に開発されたものである｡ 表l 仕様比較表 代表機種について,主な仕様の比較を示す｡
内川直志*
細i工義久*
新井
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大和田武義*** +Ⅳα0ざんg UcんJんα∽α y(〉5んJんg5α 〃050e r6γ址 Aγα∠ rαんe〟0ぶん`0批旧dα 臣l 開発の目的 以下に,その開発の目的について述べる｡(1)高効率化
一乾近の石油情勢にかんがみ,特に電力消費の多い空調機の 省エネルギー化は必至の問題である｡ 本機は表1に示すように,冷房時のEERは,2.67/2.55∼2.72/2.60kcal/W･h(冷房専用機50/60Hz),2.65/2.53∼2.70/
2.58kcal/W･h(i令f暖房兼用機50/60Hz)と市場ニーズにマッチ した製品であり,電力消費毒が従来製品に比較して約20%節 約できる(60Hz当社比)｡この高いEER化を実現するために 以下に詳述する高効率圧縮機の開発をはじめとして,スリッ ト形フィン,内面溝付管から成る高性能熱交換器の開発,送 風機及び送風機用電動機の高性能化などを推進した｡(2)毛内･外ユニ､ソトの省スペース化
小形空調機の分野では,市場ニーズに起因する傾向として, 省スペース化を実現するため薄形化の方向にあるが,本機は, これを大幅に前進させ,据付スペースの低減を図った｡ 形式 項目(単位) 高 効 率 形 従 来 形 RP-3H】 (室外RAS-3Hり RP-4H】 (室外RAS4Hり RP-5Hl (室外RAS-5Hり RP--3H (室外RAS-3H) RP-4H (室外RAS-4H) RP--5H (室外RAS-5H) 室 内 ユニット 室 外 ユニット 室 内 ユニット 室 外 ユニット 室 内 ユニット 室 外 ユニット 室 内 ユニット 室 外 ユニット 室 内 ユニット 室 外 ユニット 室 内 ユニット 室 外 ユニット 冷房能力 kcal/h 7.柑0/7,700 9.000/10′000 12′000ハ3′000 7′100/7′700 9′000/10.000 ほ′008ハ3′000 暖房能力 kcal/h 7′400/8′080 9.500/10′5(】0 12′500/13,500 7′400/8′000 9′500/10.500 12.500ハ3,5【】0 (9′200/9′800) =2′川0/13.100) (15′柑0/柑′川0) (9,200/9′8DO) (ほ′川0/13′100) (15′100ハ6′100) 外 形 寸 法 高 さ nl[∩ l,750 l.150 l.750 870 l.750 l′120 】′750 920 l′750 970 l′750 970 幅 mm 800 850 800 ≠750 800 ≠75(】 650 662 650 662 800 782 奥 行 mm 22(】 300 300 30D 400 682 450 682 450 862 製品重量 kg 60 90 78 100 80 120 65 94 75 105 85 125 圧縮機 電動機出力 kW 2.2 3.0 3.75 2.2 3.0 3.75 E E R 冷 房 kcal/W･h 2.了0/2.58 2.65/2.53 2.了D/2.58 2.29/2.D8 2.31/2.08 2.3け2.10 暖 房 kcal/W･h 3.03/2.90 2.97/2.84 3.03/2.98 2.64/2.42 2.71/Z.44 2.72/2.45注:l.冷房能力,暖房能力及びEER(Energy Efficiency Ratio:エネルギー消費効率)は,JIS規格に準じて運転を行なった場合の値を示す｡小括弧内は,+lS暖房条
件で補助電気加熱器を同時に運転した場合の値を示す｡
2.冷房能力,暖房能力及びEERのそれぞれの値は50Hz/60Hzを示す｡
*
日立製作所清水工場 事* 日立製作所機才戒研究所 *事* 日立製作所習志野工場
838 日立評論 VOL.62 No.11(1980-=)
≡≡声芦
----■-■ 図l高効率パッケージ形空調機室内ユニットの外観 高効率パ ケージ形空調機室内ユニットの外観を示す｡ 図2 高効率パッケージ形空調機室外ユニットの外観 高効率パ ッケージ形空調機室外ユニット(出力2.2kW)の外観を示す｡ 本機の室内ユニット奥行寸法は,空調機では,初めての外 径455mmの大口径ターボフ7ンの開発により,出力2.2kW機 種では22c叫 出力3.OkW及び3.75kWの機種では30emとそれ ぞれ薄形化された｡本機の室内ユニットの外観を図1に,案 外ユニットの外観を図2に示す｡ 一方,室外機は,密集した大都会など据付場所を選ぶのに 困難な場合が多く,据付スペースの縮減が必要である｡ そこで,出力2.2kW機種では奥行寸法を30em薄形構造とし, 更に,円錐リング付プロペラフアンを採用し,製品を鞍面に 近接して設置可能なものとした｡ また,出力3.OkW及び3.75kW機種については,外径75cmの 円筒形構造とし設置スペ｢スの縮i成を図った｡ (3)快適性の向上 空調機の本来の機能である室内の快適性を改善するために, 室内ユニットには左右に大きく開いたコーナーカットライン と呼ぶ吹出し口を設け,更に,吹出し空気の方向を自動的に幅 広く変化させる首振り機構と並用しているため,広範囲な冷 66 テ且風吹出し効果が得られる｡ また,冷暖房兼用のヒートポンプ機種については,室内ユ ニットの下部に丁且風下吹出し口を設け,上下のi温度むらも同 時に改善したため,空調空間全体の温度分布が大幅に改善さ れ,快適惟が向上した｡ 8主要機器の性能向上
本機の完成に当たっては,そのEERを向上するために主 要機器の高効率化,性能向上をはじめとして,冷i束サイクル 構成機器全般にわたり数多くの省エネルギー技術の開発を必 要としたが,本稿ではそのうち最も重要な主要機器の性能向 上について述べる｡ 3.1圧縮機の高効率化 空調機の消費電力のうち,冷媒オ､スの仁亡縮に用いられる圧 縮機のそれが約90%を占め,パッケージ形空調機のEER向 上にとって最も大きな課題である｡冷媒圧縮機単体のEER 理論値は運転条件によって異なるが,フロンガスR-22を使用 する場(ナi疑縮温度54.40c,蒸発温度7.20c,吸込ガス温度35.0 0c,膨張弁前i夜ブ且度46.10cとした場合,約4.16kcal/W･hと なる｡しかし,実際には各部の手員失があるため,従来の国内 外製品のEERレベルは,理論値の48∼58%程度であった｡ (1)EERに影響する因子 圧縮機のEERは,冷却能力と消費電力によって決まるが, これらに影響する因子は,概略図3に示すとおりである｡ EERの向上を同るためには,体楷効率を上げ,ピストン 押し除け量である行程体積をできるだけ少なくするとともに, 電動機効率の向上,弁損失,通路損失及び機械損失の低減を 図ることが必要である｡(2)体桔効率の損失とその改良
圧縮機での体積効率の損失の一例を図4に示すが,この中 で体積効率グ)低下の大きな要因は,間隙容積による再膨張損 失と吸込オスの過熱によるものであることが分かる｡このう ち間隙容積比と体積効率の関係は,一般に,ほぼ理論休稿効 率の変化に対応している｡間隙容積は,ピストンのトップギ ャップと如二出しポート面積によって音大まり,前者は熟膨弓良, 摺動部のギャップ,加工精度などを考慮して設定され,後者 は通路抵抗との兼ね合し､から最適寸法に決められている｡こ のため従来の平ピストン構造では,間隙容積を少なくするに は限度かあったが,高効率圧縮機では新たにピストン中央部 を凸梢造にして,吐JI=ノポ】ト部の間隙容積を減少させ,同 冷却能力 消費電力 体積効率 断熱効率 電動機効率 再膨張損失 吸込ガスの 過熱損失 漏れ損失 弁 損 失 通路損失 機械損失 図3 圧縮機のEERに影響する因子 圧縮機のE巨Rは,各種の損失に より低下する｡高効率パッケージ形空調機 ∂39 100(%) 90 80 70 間隙容積による再膨張損失 漏れ損失 通路損失 内部過熱損失
粁
図4 体積効率の損失内訳 圧縮機の体積効率に影響する各種損失を 示す｡ 時に吐出し通路損失の低ブ成を図っている｡このピストン構造 を日立製作所ではコンペックスピストンと呼んでいる｡ 一方､吸込ガスの過熱による体積効率の低下は,低圧チャ ンバ方式の往復動圧縮機にとって必然的なものであり,性能 向上のキーポイントでもある｡吸込ガスの内部過熱による体 積効率の低下は,理論値と実測値はよく一致し,過熱の影響 も大きい｡ この加熱手原には電動機損失,機不戒損失,弁及び通路手員失な どの動力損失と,吐出し通路系からの放熱がある｡このため, 高効率圧縮機では各部損失のイ氏減と同時に,｢吸込ガスの通路 系に熱抵抗の大きい材料を使用して熟伝達を阻止し,吸込ガ スの過熱低減を図っている｡これらの改良の結果,従来機に 比較して,体積効率は約15%向上し,ピストン押し除け呈を 少なくすることができた｡(3)圧縮機の動力損失とその低i威
圧縮機の動力‡員失の中では機械手員尖が最も多く,次いで吐 出し側の手員失が多くなっている｡このため,高効率圧縮機で は機械損失及び吐出し倒での損失の低i成に重点を置き,(1)
ピストン押し除け量である行程体積のさ成少による有効動 力の低i成(2)気筒径,衝程比,ロッド長さ,衝程比の最適化による機
械‡員夫の低i成(3)弁構造の変更による弁損失の低減
などを区Ⅰっている｡この結果,従来機に比較して断熱効率は 約20%向上し,圧縮機入力を低減することができた｡ 上記内容のほかに,電動機の高効率化などを図り,圧縮機 単体のEERは約25%向上し,また,外法寸法,重量とも従 来機並みに抑えることができた｡ 3.2 熱交換器の高性能化 熱交換器については,伝熱性能の向_Lと同時に,通風抵抗 がユニットの騒音に与える影響も無視することはできない｡ 熱交換器の空気側伝熱性能と通風抵抗の関係は,図5に示す ようになっておF),多くの場合伝熱性能の向上に伴い通風抵 抗も高くなる｡新しく開発されたフィンは,｢スーパースリソ トフィン+1)と呼ばれ､通風抵抗増大を最小限に抑え,伝熱性 能をいかに高めるかに重点がおかれている｡また,視力大のク ロスフィンタイ70熱交換器の熟抵抗は,およそ空気側が60∼ 70%,管内の冷媒側が30∼40%を占めており,冷媒側性能向 上も熱交換器性能向上に対し重要な因子であり,新しく開発 した内面i幕付管2)･3)と呼ぶ伝熱管を‡采用した｡ここでは,空 150 ∞ 50 (ぎ∈＼主)煉僧侶-巌層㈱ フィンピッチ:2mm 列 数:2_一一一一一て芯て茹て一￣
′･･一･イ;:市一†フィン
｡L
10 20 30 通風抵抗』P(Pa) 40 50 区15 通風抵抗と熱伝達率の関係 熱交換器の通風抵抗と空気側伝熱 性能の関係を示す｡済岳
図6 フィン間のi充動様相(スーパースリットフィン) スリットフィン+の場合のフィン表面での空気;売れ様相を示す｡岩泉
｢スーパー 気側と冷媒側に分けて,伝熱血の寸法仕様とその伝熱性能な どを従来の伝熱面と比較Lて述べる｡(1)空気側伝熱性能
クロスフィ ンチューブ式熱交換器の空気側性能を向上させ るためには,フィ ンに治って流れる空気の速度,及びf上五度】境 界屑J享さを小さくする必要がある｡本フィン回りの空気流れ 様相を観察した結果は図6に示すようになっており,後流部 にあるスリットにも主音充が当たるため,フィ ン全体の熱交換 効率が高くなっていると予想される｡図7は｢スリットフィ ン+4)･5)と｢スーパースリソトフィン+の表面熱伝達率及び通 風抵抗の測定結果をホしたものであり,｢スーパースリソトフ ィン+の表面熱伝達率は23%向上していることが分かる｡一 方,通風抵抗は17%程度の増加に抑えられている｡(2)冷媒側伝熱性能
管内を冷媒が流れ,沸騰又はi疑縮する場合の熱伝達率向上 策としては,古くから管内に溝を掘る方法などが考えられて いたが,クロスフィンタイプ熱交換器に使用されるような薄 肉管への適用には製作上の大きな障害があった｡その結果, 溝の最適寸法仕様も明らかにされていなかった｡しかし,高 効率パッケージ形空調機の開発に当たり,7葺付管の実用化は 必須の課題であった｡このような状音兄のもとで,伝熱性能が 高く,しかも管の疲労強度,耐圧性を含む信相性の面で優れ 67840 日立評論 VOL.62 No.62(l粥0-11) 200 (a)スーパースリ ットフィンの表面 熱伝達率 (b)スーパースリ ットフィンの通風 抵抗 50 ∞ 70 (ぎ∈＼‡) む 外側僻-蔵版侭 50 60 0 4 0 2 10 (田m)｢叫｢ 岩瀬唾滑 スーパースリソトフィン
